Moduli di potenza

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Lo sviluppo di contenitori di potenza per i componenti a semiconduttore ha coinvolto inizialmente i dispositivi discreti (diodi, transistor e tiristori), che per molte applicazioni richiedono l’impiego di package in grado di erogare potenze di picco di alcuni chilowatt e dissipare varie centinaia di watt.

Successivamente, l’impiego dei moduli di potenza si è esteso a soluzioni di tipo ibrido, nel senso che nel modulo vengono ospitati non più e non solo componenti discreti, ma veri e propri circuiti di controllo e di pilotaggio, costituiti da più chip a semiconduttore (siano essi discreti o integrati) con l’eventuale supporto di alcuni componenti passivi.

Questi moduli utilizzano tipicamente contenitori non standard, bensì adattati alle esigenze costruttive dei vari produttori, e sono disponibili in versioni da circuito stampato per le basse potenze e in versioni da fissare al dissipatore per le potenze più elevate, che abbinano l’impiego della resina epossidica alla presenza di flange metalliche per il fissaggio a vite.

I settori tipici d’impiego sono molteplici, e vanno dai circuiti di alimentazione agli amplificatori audio, dal controllo motori ai finali per alta frequenza, dai driver di potenza al controllo industriale.

Oggi, la gamma più vasta è rappresentata sicuramente dai moduli convertitori dc-dc per i circuiti di alimentazione.

I moduli iPOWIR

Questi moduli integrano la sezione di regolazione completa di un circuito di alimentazione, e solo raramente possono richiedere l’aggiunta di ulteriori condensatori di filtro esterni.

La circuitazione di base è normalmente quella di un tipico regolatore switching a modulazione pwm, o più raramente a risonanza.

La soluzione è quindi vantaggiosa e, rispetto ai classici circuiti integrati regolatori switching, offre il vantaggio di una maggiore compattezza e di un progetto già definito, collaudato e completo, che non richiede né calcoli né il dimensionamento dell’induttore d’uscita o dei condensatori di filtro.

Ne deriva spesso un minor costo, e sicuramente una maggiore affidabilità e compattezza della soluzione finale.

Il ricorso ai moduli di potenza, inoltre, consente di ridurre le distanze di interconnessione – sempre critiche – fra il circuito di controllo, i componenti passivi e i semiconduttori di potenza, a tutto vantaggio della stabilità del circuito, della velocità di operazione e delle emissioni elettromagnetiche.

Fra le molte soluzioni proposte recentemente ve ne sono alcune particolarmente interessanti, come ad esempio i nuovi moduli iPOWIR di International Rectifier (si veda figura 1).

Si tratta di moduli caratterizzati da una notevole semplicità circuitale, elevato rendimento e ottima densità di potenza.

Indicati per impieghi, quali ad esempio le alimentazioni multifase nei desktop, nei server, nelle workstation nonché negli switch e nei router per la comunicazione dati, questi moduli integrano anche tutta la componentistica passiva necessaria, consentendo un grande risparmio di spazio.

Il primo rappresentante della serie iPOWIR è costituito dall’iP2001, un dc-dc converter multifase incapsulato in un modulo quadrato da poco più di 1 centimetro di lato (si veda figura 2), che rappresenta un’efficiente soluzione “layout-independent” perfettamente ottimizzata, ideale per le odierne realizzazioni.

Secondo International Rectifier, il ricorso ai componenti iPOWIR permette di ottenere un incremento dell’efficienza pari al 6% (si veda figura 3), una riduzione delle perdite di potenza del 25% ed una riduzione delle dimensioni dal 44% al 58% rispetto a soluzioni basate su componenti discreti o moduli di potenza convenzionali, e ciò senza problemi di tolleranza dei componenti o di influenza del layout.

Mentre infatti una tipica soluzione basata su componenti discreti è caratterizzata da una densità di potenza di 0.78 A/cm2, grazie all’impiego dell’iP2001 si possono invece raggiungere densità di ben 1.55 A/cm2 nella realizzazione di converter da 60A.

L’iP2001 è un converter sincrono multifase di tipo “buck” capace di erogare ben 20A continui senza derating fino ad una temperatura del circuito stampato di 90°C.

La frequenza di commutazione è di 500 KHz, la tensione d’ingresso può andare dai 5 ai 12 V, le dimensioni sono di 11 x 11 x 3 millimetri ed il package è di tipo BGA.

I componenti richiesti per realizzare un dc-dc converter completo sono il controller pwm, l’induttore di filtro ed i condensatori d’ingresso e d’uscita.

Lo schema funzionale interno è visibile in figura 4; come si può vedere, esso integra un circuito driver per i Mosfet interni di potenza high-side e low-side, un diodo Schottky e due condensatori di filtro.

I pin di controllo comprendono le linee PRDY (segnalano la presenza della Vdd), Enable (abilitazione della modalità operativa), DRV-IN (segnale di pilotaggio a livelli TTL), SW-Node (pin d’uscita verso l’induttore di filtro), Vdd (+ 5V), Vin (alimentazione del dc-dc converter, da 5V a 12V), Sgnd (massa di segnale) e Pgnd (massa di potenza).

A riposo (pin di Enable a livello basso) la corrente assorbita è di 1 mA dal pin Vin e 10 µA dal pin Vdd.

La frequenza di commutazione può andare dai 150 ai 1000 KHz, la tensione d’uscita può andare dagli 0.9V ai 3.3V e la corrente può raggiungere il ragguardevole valore di 20A a 500 KHz.

Le perdite di potenza sono funzione della corrente d’uscita (si veda figura 5), e a 20A raggiungono i 3.5W e i 5W a 500 KHz e a 1 MHz rispettivamente.

L’area operativa rimane ampia anche ad alta frequenza (20A a 1 MHz con PCB a 80°C) e con elevata temperatura del circuito stampato (10A con PCB a 110°C, vedi figura 5).

La tensione d’ingresso di questo modulo può sembrare limitata, ma si consideri che è stato sviluppato proprio per le odierne applicazioni a bassa tensione, con alimentazione distribuita, eventualmente di tipo multifase (si veda figura 6) ad elevata corrente, tipiche dei prodotti digitali e di telecomunicazione.

La produzione in volume dell’iP2001 è prevista per l’autunno 2001, mentre per il prossimo anno è prevista una versione che integra il controller Pwm per i sistemi a singola fase, con una corrente d’uscita di 15A.

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